Tests en vermogensclassificaties van elektromotoren
Cijfers over elektromotoren voor voertuigen zijn pas betekenisvol als de systeemgrens, duur, temperatuur, spanning en het werkpunt van de test bekend zijn. Piekvermogen, continuvermogen, motorrendement, rendement van de aandrijfeenheid, askoppel en wielkoppel beschrijven verschillende metingen en zijn niet onderling uitwisselbaar.
Begin bij de systeemgrens van de meting
Een motor kan afzonderlijk op een dynamometer worden getest, samen met zijn omvormer, met reductietandwielen, als complete as of in een voertuig. Elke systeemgrens omvat andere verliezen.
Het motorrendement vergelijkt het mechanische asvermogen met het elektrische vermogen aan de motoraansluitingen. Het rendement van motor en omvormer begint bij de gelijkstroomingang van de omvormer. Het rendement van de aandrijfeenheid kan daarnaast tandwielen, differentieel, lagers, afdichtingen, smeerpompen en vermogen voor de regeling omvatten. Het rendement van batterij tot wiel omvat nog meer: batterijweerstand, kabels, contactoren, hulpsystemen, banden en andere belastingen in het voertuig.
Twee resultaten met hetzelfde percentage zijn pas vergelijkbaar als hun ingangs- en uitgangsgrenzen overeenkomen. Ook de richting is van belang, omdat aandrijven en regenereren verschillende omstandigheden voor stroom, spanning en verliezen hebben.
Koppel, toerental en vermogen
Het asvermogen is het product van het koppel en de hoeksnelheid:
power = torque × rotational speed
Een hoog koppel bij snelheid nul levert op dat moment geen mechanisch vermogen. Het vermogen neemt toe wanneer de snelheid stijgt door het gebied met constant koppel. Boven het basistoerental dwingen de grenzen van spanning en tegen-EMK het koppel gewoonlijk omlaag, waardoor een gebied met ongeveer constant vermogen ontstaat.
Een dynamometer meet het askoppel en toerental. Elektrische instrumenten meten tegelijkertijd fase- of gelijkspanning en stroom. Voor nauwkeurige rendementsmetingen zijn gesynchroniseerde metingen nodig, omdat een kleine timing- of kalibratiefout bij een hoog rendement het berekende verlies kan domineren.
Het motorkoppel mag niet worden verward met as- of wielkoppel. Een reductietandwiel vermenigvuldigt het koppel bij benadering met zijn verhouding en rendement. De kracht aan het wiel hangt vervolgens af van de effectieve bandstraal.
Piek-, continu- en 30-minutenvermogen
Het piekvermogen is het hoogste beschikbare uitgangsvermogen onder vastgelegde omstandigheden. Het kan worden beperkt door het ontlaadvermogen van de batterij, de omvormerstroom, de motorstroom, de spanning, het rotortoerental, de bandengrip of software en niet uitsluitend door de motor. Een piekwaarde zonder duur en begintemperatuur zegt weinig over de herhaalbaarheid.
Continuvermogen is een begrip voor thermisch evenwicht: de warmte die op het werkpunt ontstaat, kan worden afgevoerd zonder dat de temperaturen hun grenzen steeds verder overschrijden. De waarde verandert met de temperatuur en het debiet van de koelvloeistof, de omgevingsomstandigheden, de olietemperatuur, de voertuigsnelheid en de componenten die het thermische circuit delen.
VN-Reglement nr. 85 definieert procedures voor het nettovermogen en het maximale 30-minutenvermogen van elektrische aandrijflijnen die bij de typegoedkeuring van voertuigen worden gebruikt. Dertigminutenvermogen is een gereglementeerde meting, geen universeel synoniem voor vermogen dat onbeperkt continu beschikbaar is. Ook de voertuigbatterij kan het vermogen beperken dat bij een test van het complete voertuig kan worden bereikt.
Deze definities verklaren waarom een elektrische auto met een hoog acceleratievermogen kan adverteren, maar in typegoedkeuringsgegevens een veel lager continu- of 30-minutenvermogen laat zien. Beide kunnen juist zijn.
Rendementskaarten
Een motor heeft niet één rendement. Een dynamometerkaart registreert het rendement in een raster van toerental- en koppelpunten. Contourlijnen tonen waar de machine het efficiëntst is en hoe breed dat gebied is.
Bij een laag toerental en hoog koppel is de stroom groot en treedt koperverlies op de voorgrond. Bij een hoog toerental en laag koppel kunnen ijzerverlies, ventilatieverlies, lagerverlies, schakelverlies van de omvormer en veldverzwakkingsstroom overheersen. Dicht bij koppel nul zijn de vaste verliezen groot ten opzichte van het nuttige uitgangsvermogen, waardoor het procentuele rendement laag kan zijn, ook al is het absolute vermogensverlies beperkt.
Een rendementskaart moet vermelden:
- of deze de motor, de motor met omvormer of de complete aandrijfeenheid omvat;
- de gelijkspanning en schakelomstandigheden van de omvormer;
- de temperaturen en debieten van koelvloeistof en olie;
- aandrijven, regenereren of beide;
- de grenzen voor maximaal en continu koppel;
- of hulppompen en regeleenheden zijn inbegrepen;
- de meetonzekerheid en interpolatiemethode.
Het beste rendement op één werkpunt is nuttig om het technische potentieel te beoordelen, maar het energiegebruik tijdens een rijcyclus hangt af van waar het voertuig daadwerkelijk op de kaart werkt.
Thermische tests
Bij thermische tests worden sensoren in de wikkelingen, stator, koelvloeistof, olie, lagers, omvormermodules en soms de rotor geplaatst. Sommige temperaturen worden rechtstreeks gemeten; andere zijn gebaseerd op weerstand, observatormodellen of gekalibreerde modellen.
Tests in stationaire toestand stellen de continue capaciteit vast. Transiënte tests onderzoeken hoeveel piekkoppel vanuit verschillende begintemperaturen kan worden geleverd en hoe snel het systeem herstelt. Herhaald accelereren, langdurig hoge snelheid, bergop rijden, trekken van een aanhanger, terreinrijden bij lage snelheid en herhaald regenereren belasten het systeem op verschillende manieren.
Welke component het heetst is, kan per werkpunt verschillen. Een hoge stroom kan de statorwikkelingen of halfgeleiders begrenzen, terwijl een hoog toerental de rotormagneten, lagers, olie of het elektrisch staal kan belasten. Het regelsysteem gebruikt deze modellen om het koppel te verlagen voordat de hardware een schadelijke temperatuur bereikt.
Mechanische en elektrische grenzen
Overtoerentaltests controleren de rotor, as, lagers en borgsystemen boven de normale maximumsnelheid met een passende veiligheidsmarge. Draaitests kunnen zonder elektromagnetische belasting plaatsvinden, terwijl gecombineerde dynamometertests koppel en warmte toevoegen.
Elektrische tests omvatten isolatieweerstand, diëlektrische sterkte, waar relevant gedeeltelijke ontlading, gedrag bij spanningsimpulsen, faseweerstand, inductantie, tegen-EMK, resolveruitlijning en werking tijdens spanningstransiënten van de omvormer. Permanentmagneetmotoren moeten ook worden gecontroleerd op onomkeerbare demagnetisatie en een veilige nullastspanning.
Duurzaamheidsprogramma’s voegen trillingen, mechanische schokken, temperatuurcycli, vochtigheid, zout, blootstelling aan koelvloeistof of olie, verontreiniging en herhaalde koppelomkeringen toe. De levensduur van tandwielen en lagers is essentieel wanneer het beoordeelde product een geïntegreerde aandrijfeenheid is en niet alleen een losse motor.
NVH en koppelkwaliteit
Het gemiddelde koppel kan rimpel verbergen. Koppelmetingen met hoge resolutie en ordeanalyse identificeren elektromagnetische harmonischen, coggingkoppel, omvormereffecten, tandwielingreep, lagerfrequenties en structurele resonanties.
Akoestische tests gebruiken microfoons, versnellingsmeters, stroomprobes en snelheidsreferenties om hoorbare tonen aan hun bronorde te koppelen. Testen met positief koppel, tijdens uitrollen, bij regeneratie, verschillende temperaturen en verschillende schakelstrategieën is noodzakelijk, omdat een stil vollastpunt het interieurgeluid bij lichte belasting mogelijk niet voorspelt.
Normen en herhaalbaarheid
SAE J2907 biedt een aanbevolen praktijk voor herhaalbare prestatiekarakterisering van motor-aandrijfsubsystemen in geëlektrificeerde aandrijflijnen. VN-Reglement nr. 85 behandelt typegoedkeuringsmetingen van nettovermogen en maximaal 30-minutenvermogen. Deze procedures beantwoorden verschillende vragen.
Onderzoekslaboratoria en fabrikanten gebruiken ook interne methoden voor rendementskaarten, thermische grenzen, duurzaamheid en NVH. Doordat één universele openbare test ontbreekt, mogen gepubliceerde resultaten alleen als vergelijkbaar worden beschouwd wanneer de methode en systeemgrens bekend zijn gemaakt.
Onafhankelijke herhaalbaarheid vereist gekalibreerde instrumenten, gestabiliseerde temperaturen, vastgelegde vloeistoffen, correctie voor verliezen in dynamometer en koppeling en voldoende stabilisatietijd. Het rapporteren van onzekerheid maakt deel uit van het resultaat, vooral bij de vergelijking van systemen waarvan het rendement slechts tienden van een procentpunt verschilt.
Voertuigspecificaties interpreteren
Controleer bij het beoordelen van een claim over de elektromotor van een voertuig:
- Geldt de waarde voor één motor, één as of het hele voertuig?
- Gaat het om vermogen en koppel aan de motoras, de uitgang van de versnellingsbak of de wielen?
- Is het vermogen een piek-, 30-minuten- of continuwaarde?
- Welke batterijspanning en laadtoestand waren beschikbaar?
- Waren de motor en batterij al warm?
- Omvat het rendement de omvormer, versnellingsbak, pompen en hulpsystemen?
- Is de waarde één werkpunt of het resultaat van een rijcyclus?
Als die antwoorden ontbreken, kan het getal het voertuig nauwkeurig beschrijven, maar vormt het geen basis voor een gedetailleerde technische vergelijking.
Ga verder met de motorenreeks
Ga terug naar Electric Motors and Drive Units en gebruik het hoofdstuk motor cooling om te begrijpen waarom het langdurig beschikbare vermogen met de thermische omstandigheden verandert.